CC BY
15
УДК 539.375.5:621.793.74
В.И.КОПЫЛОВ, СП. СОЛОДКИЙ
Национальный технический университет Украины «КПИ», г. Киев, Украина
И.А.СЕЛИВЕРСТОВ
Херсонский национальный технический университет, г. Херсон, Украина
ДЕМПФИРУЮЩИЕ СВОЙСТВА ПЛАЗМЕННЫХ АЛЮМИНИЙ -НИКЕЛЕВЫХ ПОКРЫТИЙ НА ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЯХ
В данной работе проведены исследования затухания инфразвука в стали Х18Н9Т с плазменными покрытиями в широком температурном интервале измерений температур и деформаций, Установлено существенное влияние плазменных покрытий на температурные и амплитудные зависимости внутренего трения покрытий на основе (NiA1-SiO2-Al2O3) и AlNi-Al2O3/Ti. Наличие сложных демпфирующих характеристик обусловлено сложной микроструктурой покрытия, содержащей внутренние границы раздела и поры.
Кроме внутренних демпфирующих механизмов, происходящих в самом покрытии и подложке по отдельности, реализуются дополнительные демпфирующие механизмы на границах раздела отдельных зерен и частиц, а также межфазной границе взаимодействия в системе «покрытие-основа».
Ключевые слова: плазменные покрытия, внутренее трение, керамический порошок, модуль упругости.
В.1.КОПИЛОВ, С.П. СОЛОДКИЙ
Нацюнальний техшчний ушверситет Укра1ни «КП1», м Ки1в, Укра1на
1.А.СЕЛ1ВЕРСТОВ
Херсонський нацюнальний техшчний ушверситет, м Херсон, Укра1на
ДЕМПФУЮЧ1 ВЛАСТИВОСТ1 ПЛАЗМОВИХ АЛЮМ1Н1Й - Н1КЕЛЕВИХ ПОКРИТТ1В
НА ВИСОКОЛЕГОВАНИХ СТАЛЯХ
У датй роботi проведено дослгдження загасання тфразвуку в стали Х18Н9Т з плазмовими покриттями в широкому температурному iнтервалi вимiрювань температур i деформацш. Встановлено ктотний вплив плазмових покриттiв на температурт i амплтудш залежностi внутренего тертя покриттiв на основi (NiA1-SiO2 • A12O3) i AlNi-Al2O3 / Ti . Наявтсть складних демпфуючих характеристик обумовлено складною мжроструктурою покриття, що метить внутршш межi роздшу та пори.
Крiм внутрштх демпфуючих механiзмiв, що вiдбуваються в самому покриттi i тдкладщ, окремо реалiзуються додатковi демпфуючи мехатзми на границях меж окремих зерен i частинок, а також мiжфазнiй межi взаемоди в системi «покриття-основа».
Ключовi слова: плазмовi покриття, внутршне тертя, керамiчний порошок, модуль пружностi.
V.I.KOPYLOV, S.P. SOLODKIY
National Technical University of Ukraine "KPI", Kyiv, Ukraine
I. A. SELIVERSTOV
Kherson National Technical University, Kherson, Ukraine
DAMPING PROPERTIES ALUMINUM - NICKEL PLASMA COATINGS ON HIGH-ALLOY STEELS
In this work, conducted infrasound attenuation study in the steel X18H9T with plasma coatings in a wide temperature range of measurement of temperature and strain, it was found a significant effect of plasma coatings on the temperature and amplitude dependences of internal friction based coatings (NiA1-SiO2 • Al2O3) and AlNi-Al2O3 / Ti. The presence of complex damping characteristics due to the complex microstructure of the coating containing the internal interface and pores.
Besides the internal damping mechanisms occurring in the coating and the substrate, additional damping mechanisms occur at the boundaries of the individual grains and particles, and interaction in the interface "coating-base " system.
Keywords: plasma coating, internal friction, ceramic powder, modulus of elasticity.
Постановка проблемы
Для повышения различных физико-механичных характеристик, а также надежности конструкционных материалов в условиях воздействия вибрационных нагрузок применительно к соответствующим элементам конструкций используют покрытия, в том числе, полученные плазменным напылением [1-3].
Оценку демпфирующих свойств плазменных покрытий и системы «основа - покрытие» можно проводить по данным измерений коэффициента внутреннего трения (ВТ), являющегося функцией
амплитуды деформаций у и температуры Т — ( 1 = / (у, Т) [4-6].
Анализ последних исследований и публикаций
Влияние плазменных одно - и многокомпонентных покрытий на параметры температурной и амплитудной зависимостей внутреннего трения (ТЗВТ, АЗВТ) апробировано на примере ряда систем, где в качестве основы были выбраны железо и высоколегированные стали [1-3,5-8]. При этом показана возможность повышения демпфирующих свойств матрицы за счет покрытий, как без обработки, так и после термодиффузионной обработки. Метод ВТ позволяет получить информацию о структурных особенностях различных зон влияния в системе «основа-покрытие». Такая информация уже была получена для материалов со сложными композиционными газотермическими покрытиями различной структуры. В настоящее время проанализировано, в какой мере на амплитудные зависимости внутреннего трения и, соответственно, на процессы микропластической деформации образцов может повлиять нанесение на них одно- и многослойных покрытий, параметры их структурных составляющих [1,5,6].
В то же время изменение общего фона затухания энергии упругих колебаний при измерении ВТ, а также наличие известных и появление новых аномалий, как на ТЗВТ, так и на АЗВТ конструкционных материалов с нанесением покрытий вызывает необходимость проведения дополнительных исследований для более глубокого понимания этих явлений.
Формулировка цели исследований
Целью работы является исследование эффективности применения покрытий, полученных плазменным напылением, для повышения демпфирующих свойств конструкционной стали с одновременным упрочняющим эффектом.
Изложение основного материала исследования
Для исследований в качестве основы использовалась сталь аустенитного класса, а в качестве покрытий - порошки из макрочастиц №А1 (диаметр частиц 20...40 мкм), а также смеси композиционного порошка №А1 и ультрадисперсных частиц алюмоаэросила ^Ю2'А1203) (диаметром порядка 60 нм) - (№А1-8Ю2 -А1203) и плакированных титаном частиц А1203/Т [5,6,9,10].
Амплитудную и температурную зависимости внутреннего трения для оценки демпфирующих свойств измеряли на установке, представляющей собой «обратный крутильный маятник». Исследования поглощения инфразвука проводились на проволочных образцах из стали Х18Н9Т диаметром 1 мм и длиной 100 мм. [1,5,6].
Покрытия наносились на поверхность образцов плазменным напылением на установке УПУ-3Д, оснащенной плазмотроном с ламинарным истечением плазменного потока.
В качестве материалов покрытий используются порошки различного состава - металлические, керамические, квазикристаллические, в том числе ультрадисперсные и с наносоставляющими [1,5,6,9,10]. Выбирая тип частиц порошка, варьируя их морфологию, размеры, плотность и способ введения в конечный продукт, можно получать защитные покрытия многофункционального назначения. Наличие в составе исходной порошковой массы сложных наноразмерных составляющих приводит к образованию в покрытии в процессе напыления структур различного фазового и химического состава, охватывающие различные зоны по сечению композиции [1,5].
При исследовании амплитудной и температурной зависимости внутреннего трения высоколегированных аустенитных сталей на кривых ТЗВТ можно получить несколько аномалий -эффектов в зависимости от состава материала и его структурного состояния, как в низкотемпературной, так и в высокотемпературной области спектра [11-14]. Применение покрытий на сложнолегированных сталях различного класса определяется эксплуатационными условиями, поэтому при исследовании влияния покрытий на такие объекты указанные эффекты могут служить особо чувствительными реперами, по которым и можно судить о демпфирующих свойствах покрытий и композиции в целом.
На рис.1 представлены температурные зависимости внутреннего трения цилиндрических (проволочных) образцов из стали Х18Н9Т. В результате измерений ВТ на образцах без покрытий (рис.1, кр.1) зафиксированы эффекты, физическая природа которых известна - при нагревании возникает спектр поглощения упругой энергии с пиками в районе температур 100 - 150, 320-390, 600 и 730 - 750°С [11-14].
1000
800
600
400
200
2 1
/ 1/ 1 3
у/
// /// ч/
/а // 1 //
// и!
200 400
600
800
Т, 0С
Рис.1. Температурная зависимость внутреннего трения образцов стали Х18Н10Т в состоянии поставки (деформированном состоянии): 1- без покрытия; 2 - с плазменным покрытием на основе (NiА1-SiO2•Al2O3); 3- с покрытием и последующим диффузионным отжигом.
На кривых ТЗВТ - ( 1 = / (Т) выявляются деформационные пики при температурах
(23...127°С) - деформационные пики Хасигути, а в области температур (320...410°С) - пики Финкельштейна — Розина (ФР), механизм которых связан с миграцией атомов внедрения в поле напряжений. Известно, что пик ФР в ряде моментов сопровождается возникновением одного или двух дополнительных пиков, располагающихся по обе стороны от основного. В нашем случае при малой частоте колебаний 1 Гц температуры проявления этих пиков ниже по сравнению с известными. Эти эффекты в увеличенном масштабе представлены на рис.2.
Пик в районе температур (600...700°С) связан с зернограничной релаксацией. Он может, как считают некоторые исследователи, вообще совпасть с фазовым пиком при 730°С [11]. В нашем случае видно, что зернограничный пик (ЗГП), обособляется и несколько сдвинут в сторону больших температур (Ттах ~ 717°С).
дг1х10>
30
20
10
0
2 / 1
У
У ^ ¿У
200
400
Рис.2. Результаты аналогичные (рис.1) в увеличенном масштабе для диапазона температур
Т = 20...400оС.
Нанесение плазменного покрытия на основе (№А1-8Ю2-А1203), как следует из рис.1,кр.2 и рис.2,кр.2, приводит к изменению вида и уровня ТЗВТ рассматриваемой композиции. Для образов из стали Х18Н9Т без предварительной термообработки в спектре затухания упругой энергии при напылении имеют место деформационный пик при 100-150°С и пики ФР, аналогично образцам без покрытий (рис.1 и рис.2). Также наблюдается уширенный ЗГП, содержащий несколько компонент.
При наличии диффузионного слоя, полученного после отжига образцов с нанесенным покрытием при температуре 1100°С в течение 2 час, как свидетельствует кривая 3 на рис.1 и рис.2, зернограничное проскальзывание (ЗГП) подавляется, и ЗГП меняет свою форму, изменяется и по ширине и по величине.
Предварительная термообработка исходных образцов существенно сказывается на параметрах ВТ. На рис.3 приведены данные измерений ВТ на образцах из стали Х18Н9Т, прошедших предварительную термодиффузионную обработку при 1100°С в течение 2 час. (кр.1, образцы без
0
Т, 0С
покрытия). Как следует из результатов измерений, нанесение плазменного покрытия на отожженную матрицу (кр.2 на рис.3) меняет спектр поглощения упругой энергии. По сравнению с результатами для образцов в состоянии поставки (после протяжки через фильеры, рис.1, 2) , как видно на рис.3, общий уровень ВТ понижается, практически исчезают пики, обусловленные деформацией матрицы при Ш0...150оС, и пики ФР.
Изменились и высокотемпературные пики при 600°С и 720°С. Внутреннее трение в образцах после отжига в области проявления зернограничной релаксации (ЗГП) имеет значение существенно меньшее, чем в случае образцов без предварительного отжига и с последующим нанесением покрытия на основе (№А1-8Ю2-Л120з).
400
300
200
100
0
400 600 800 Т, 0С Рис.3. Температурная зависимость внутреннего трения в образцах из стали Х18Н9Т после диффузионного отжига при 1100°С, 2 час.: 1 - без покрытия; 2 - с плазменным покрытием на
основе (МА^Ю!^^).
Аналогично результатам ТЗВТ, аномальное поведение затухания энергии упругих колебаний наблюдается при исследованиях амплитудной зависимости внутреннего трения - АЗВТ. Данные по АЗВТ для образцов из стали Х18Н9Т с плазменным покрытием на основе (№А1^Ю2-А1203) представлены на рис.4.
Во всех случаях отмечается смещение предельной критической деформации укр в область с
существенно меньшими значениями деформаций у. Фон ВТ (Q—) для образцов с покрытиями, как
для области малых, так и для области больших деформаций у, выше значений (Qф) по сравнению с
образцами без покрытий. Нанесение покрытия влияет на торможение подвижных дислокаций, как в
основе, так и в покрытии, и обусловливает возникновение второй критической деформации укр, что
связано уже с отрывом дислокаций от точек закрепления именно в покрытии.
Согласно экспериментальным результатам (рис.4) у образцов с покрытиями (кр.2, кр.3) общая плотность незакрепленных дислокаций, как в основе, так и в слоях сложного покрытия существенно выше, чем у образцов без покрытия. Свидетельством такому утверждению является увеличение наклона
кривых АЗВТ (tga — AQ"YAy), что характеризует энергию, рассеиваемую при движении дислокаций в зоне микропластической деформации материала [1,4,5].
1 ' 2
24
16
0
3 /
/у / ^ 2
л/ У
1
10
20
30
40
7*105
Рис.4. Амплитудная зависимость внутреннего трения образцов стали Х18Н10Т в состоянии поставки (деформированном состоянии): 1- без покрытия; 2 - с плазменным покрытием на основе (NiА1-SiO2Al2O3); 3- с покрытием и последующим диффузионным отжигом.
В качестве общего анализа можно отметить следующее. Из результатов измерений АЗВТ, как и ТЗВТ, следует, что нанесение плазменного покрытия, в частности композиционного покрытия (ЖА1-8Ю2Л1203) приводит к возрастанию затухания энергии механических колебаний. При амплитудах напряжений, выше критической у"кр, подвижность дислокаций велика, в результате чего возникает локальная деформация внутри отдельных зерен и декремент колебаний растет. Однако, при дальнейшем повышении уровня напряжений свободные дислокации встречают препятствия в виде границ зерен, наблюдается их скопление, уменьшается подвижность вследствие образования поля напряжений, декремент колебаний уменьшается, на АЗВТ возможно формирование максимума, как следует из результатов ряда работ, например [9]. Роль границ блоков и зерен в образовании максимума затухания на амплитудной зависимости возможна при условии, что внутризеренная структура обладает максимальной пластичностью, а границы зерен упрочнены.
Все перечисленное позволяет утверждать, что при измерении ВТ присутствие покрытия на поверхности образцов приводит к появлению квазисвободных дислокаций, к образованию нестабильного состояния, изменению напряженного состояния в различных локальных зонах композитной системы, и, соответственно, повышению уровня демпфирования композитов.
В общем случае увеличение или уменьшение уровня (фона) затухания энергии (или высоты пика) при наличии конкретного покрытия с соответствующим модулем упругости характеризуется соотношением противоположных факторов влияния, а именно, между возрастанием плотности дислокаций, и, в противоположность этому, степенью их закрепления. Нестабильность, пористость сложных структур плазменных покрытий могут влиять на механические характеристики покрытых образцов, а также на такую основную физическую характеристику материала, как модуль упругости. Сформированные сложные структуры покрытий могут быть источником высоких демпфирующих способностей при приложении вибрационных нагрузок.
Таким образом, увеличение уровня затухания энергии упругих колебаний, а также увеличение высоты ЗГП и появление новых пиков - эффектов является следствием возрастания плотности (количества) подвижных дислокаций при наличии конкретного плазменного покрытия. В тоже время, наличие покрытия приводит к проявлению упрочняющего эффекта за счет закрепления подвижных дислокаций, что сопровождается уменьшением общего уровня затухания энергии, уменьшением или полным подавлением высоты пиков, увеличением критической деформации укр [1,5].
Исходя из соображений о противоположном характере влияния таких факторов, как аномальное повышение уровня ВТ, с одной стороны, и повышение модуля упругости за счет закрепления подвижных структурных элементов, с другой стороны, а также руководствуясь данными литературных источников [8,15], для оценки воздействия покрытий на основной металл, можно предложить критерий демпфирования. Значения критерия демпфирования для соответствующих величин модулей упругости ряда плазменных покрытий представлены в таблице в виде произведения модуля упругости на коэффициент внутреннего трения при конкретной деформации, а именно:
= Е О1. (1)
оемп п^п у '
Модуль упругости покрытий получен на основании измерений ВТ системы «основа -покрытие», обработки данных и выделения спектра конкретно покрытия, согласно методике, изложенной в работе [9].
8
Значения модулей упругости и критерия демпфирования для ряда плазменных покрытий, определенных по расчетно-экспериментальной методике для соответствующих значений деформаций и коэффициента затухания О'1 образцов с покрытиями и без него при комнатной температуре представлены в таблице 1. В таблице также для общего анализа приведены, помимо рассмотренных покрытий, также и данные для некоторых других важных, сточки зрения демпфирования, покрытий.
В случае цилиндрических (проволочных) образцов происходят явления поглощения упругой энергии в небольшом поверхностном слое, толщиной не более 0,2 мм. За протекание этих процессов ответственными являются структура и состав, прежде всего поверхностных, достаточно тонких слоев образца, включая само покрытие, а также межфазную граничную зону между покрытием и матрицей.
Таблица 1
Значения критерия демпфирования плазменных покрытий_
Покрытие Модуль упругости покрытия Еп, ГПа Коэффициент Пуассона, V Коэффициент демпфирования = Е О1 демп п^п ,ГПа
А1№ 105 0,28 0,22
№А1- (БЮ^АШз) 157 0,27 0,345
(алюмоаэросил)
А1№-А120/Л) 88 0,25 1,02
№Сг+(БЮ2-А120з) 194 0,22 0,772
(двухслойное)
Мо 89 0,23 0,134
При плазменном напылении, формирование самого покрытия и контактной межфазной зоны сопровождается насыщением их большим числом точечных и линейных дефектов. Покрытия, сформированные из деформированных частиц порошка, содержат большое количество, как внутризеренных, так и межзеренных границ. Для плазменных покрытий, эти границы раздела включают макрограницу между покрытием и основой, границы раздела между ламелями в слое покрытия, границы зерен, для них характерно наличие пор и других микродефектов. В этом случае поле деформаций в прилежащей к границе раздела области, а также релаксационные эффекты под действием вибрационных нагрузок, будут улучшать демпфирующие способности структуры.
Увеличение способности материалов к рассеиванию запасенной упругой энергии после нанесения на их поверхность плазменных покрытий происходит, в большей степени, для материалов с теми покрытиями, структура которых имеет большую протяженность межфазных границ. Это показано на примере многокомпонентных покрытий, содержащих наносоставляющие в виде нанопорошков или плакированных порошков. Исходя из таких подходов, как видно из таблицы, в нашем рассматриваемом случае, наибольшими демпфирующими свойствами обладает комплексное покрытие на основе плакированных порошков и смесей с наносоставляющими.
Выводы
Проведены исследования затухания инфразвука в стали Х18Н9Т с плазменными покрытиями в широком температурном интервале измерений температур и деформаций.
Установлено существенное влияние плазменных покрытий на ТЗВТ и АЗВТ, в частности покрытий на основе (№А1-8Ю2-А1203) и А1№-А1203Л1
Сложная микроструктура покрытия, содержащая внутренние границы раздела и поры, приводит к сложным демпфирующим характеристикам.
Кроме внутренних демпфирующих механизмов, происходящих в самом покрытии и подложке по отдельности, реализуются дополнительные демпфирующие механизмы на границах раздела отдельных зерен и частиц, а также межфазной границе взаимодействия в системе «покрытие-основа».
В качестве количественного показателя эффективности демпфирования композитного материала
предложен критерий в виде Одемп = ЕпО~п 1.
Список использованной литературы
1. Копылов В. И. Влияние состава и микроструктуры керамических оксидных покрытий на физико-механические свойства композиционных материалов / В. И. Копылов, И. В. Смирнов, С. В. Рыбаков // Проблемы техники. — 2005. — №2. — С. 37-43.
2. Потехин Б. А. Влияние плазменных покрытий на демпфирующие свойства конструкционных
сталей / Б. А. Потехин, С. Г. Лукашенко, С. П. Кочугов // Металловедение и термическая обработка металлов.- 2000.- № 10.-С. 30 - 33.
3. Лукашенко С.Г. Закономерности формирования демпфирующих свойств плазменных покрытий, нанесенных на конструкционные стали. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.- Екатеринбург.- 2000 г.-20 с.
4. Головин С. А. Упругие и демпфирующие свойства конструкционных металлических материалов / С. А. Головин, А. Пушкар, Д. М. Левин // М.: Металлургия,- 1987.- 193 с.
5. Копылов В.И. Основные особенности формирования многокомпонентных газотермических покрытий, обусловливающие физико-механические свойства композиций при напылении /В.И.Копылов, И.А.Варвус, Б.Г.Стронгин [и др.]// ФХММ.- 1991.- №1.- С. 65-70.
6. Копылов В. И. Влияние плазменных покрытий из порошков с наноразмерными составляющими на внутреннее трение железа / В. И. Копылов, С. Л. Рево, И. В. Смирнов, Е. А. Иваненко, Ф. В. Лозовый, Д. А. Антоненко // Наносистеми, наноматерiали, нанотехнологи. Збiрник наукових праць. — 2010. — том.8.— Випуск 1. — С.209-215.
7. Гадалов В. Н. Исследование амплитудной зависимости внутреннего трения плазменных покрытий // В. Н. Гадалов, О. Б. Чевела.- Порошковая металлургия.- 1980.- № 2.- 30-32 с.
8. Liming Yu. Damping efficiency of the coating structure/ Yu Liming, Ma Yue, Zhou Chungen, Xu Huibin// International Journal of Solids and Structures. - 2005. - № 42. - Р. 3045 - 3058.
9. Копылов В. И. Физико-механические характеристики и внутреннее трение материалов с многофазными плазменными покрытиями / В. И. Копылов, Д. А. Антоненко // Проблемы техники.- 2014.- № 2.- С. 72-89.
10. Копилов В.1. Процеси юнно-плазмового плакування порошив для газо-термiчних покритпв / В.1. Копилов, 1.В. Смирнов, 1.А. Сeлiверстов // Науковi вкт Нацюнального техшчного ушверситету Украши «Кшвський полггехшчний шститут».- 2009.-№3 (65).-С.11-20.
11. Стронгин Б. Г. Температурная зависимость внутреннего трения аустенитной стали Х18Н22В2Т2 / Б. Г. Стронгин, И. Ю. Третьяк, И. А. Варвус, Г. Г. Максимович // Кн. Физика твердого тела. Киев - Донецк.- 1978.- № 8.- С. 38-43.
12. Паршин А.М. Структура, прочность и пластичность нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов, применяемых в судостроении .- Л.: Судостроение.- 1972.- 288 с.
13. Вернер В. Д. Структура пика Финкельштейна - Розина в деформированных аустенитных сталях / В. Д. Вернер, Л. В. Кобликова, В. К. Коробов // Кн. Механизмы внутреннего трения в полупроводниковых и металлических материалах.- М.: Наука,- 1972.- С. 152 - 154.
14. Вернер В. Д. Особенности амплитудной зависимости внутреннего трения аустенитных сталей / В. Д. Вернер, Л. В. Кобликова, В. К. Коробов // Кн. Механизмы внутреннего трения в полупроводниковых и металлибческих материалах.- М.: Наука,- 1972.- С. 156 - 160
15. Фавстов Ю. К. К определению внутреннего трения демпфирующих покрытий // Изв. АН СССР, ОТН, Механика и машиностроение. - 1963. - № 3. - С.127 - 128.
